少年科學粉每日一題｜材料界的超級「變形金剛」！非晶合金如何玩轉「微成形」？

撰文／馬將

本文選自《知識就是力量》雜誌

「它可以根據環境隨意變形, 受傷或中彈後傷口會像液體一樣自動癒合」，這是科幻電影《終結者》中所塑造的機器人形象。那麼，現實生活中有沒有這樣的材料呢？

有，它已被科學家成功研製出來。這就是非晶合金！美國科學家預言，它可能引起材料應用史上的第三次革命。

金屬外表玻璃心

人類從第一次發現非晶合金（又稱金屬玻璃），到對它進行廣泛而深入的研究，才只有幾十年的時間。可以說，它是金屬材料家族中非常年輕的成員。

非晶合金是由多種元素混合熔煉所得的金屬合金。它有金屬的不透明、導電、導熱等性質，有明顯的金屬光澤；還有玻璃的高強度、硬度和內在本質結構特徵。因此，它也叫金屬玻璃或液態金屬。

它既有金屬的外表，又深藏著一顆玻璃的心，兼備了二者的優點，又克服了二者的弊病，被譽為敲不碎、砸不爛的「玻璃之王」。

製備秘訣：冷得快！

直到20世紀60年代，杜威茲等美國科學家才製備出非晶合金。它這麼晚才被發現，主因是製備它的方法很特殊。

金屬高溫熔化自然冷凝，得到的就是晶態的普通金屬[原子排列如圖(a)]。

如果人為加快熔體的冷卻速度，如快到每秒10000攝氏度甚至更快，那得到的就是非晶態合金[原子排列如圖(b)]。

所以，製備非晶合金的訣竅只有一個：冷得快！通過急速冷卻法製得的非晶合金強度高、硬度高、耐磨、耐腐蝕性強、彈性好……此外，它最神奇之處則是有像玻璃或塑料一樣一加熱就會軟化的熱塑性。

非晶合金具有熱塑性，它在特定溫度下（此溫度區間稱為冷液相區），就能按人的需求隨意變形，就像《終結者》中的機器人一樣。

利用非晶合金的熱塑性，我們可以像拉麵條一樣，將其越拉越長[見圖(c)]；甚至可以像吹氣球一樣，將其「吹成」球狀容器[見圖(e)]。此外，它也能在開水中任意變形，能在其表面印製各種圖案。

「微形」變化無壓力

非晶合金獨特的熱塑性，不僅能對宏觀尺度成形，更擅於進行微米到納米級微觀尺度的成形，它也被譽為「理想的微納米成形材料」。

與傳統的微加工成形材料和技術相比，它具有製備效率高（成形周期以秒為單位，通常小於半分鐘）、成形精度好（尺寸誤差在2‰左右）、表面質量優異（表面粗糙度在10納米左右甚至更小）、工藝簡單以及成本低等優點。

利用圖(g)的方法，我們能在非晶合金表面製備各類微結構圖案。如比人頭髮絲還細十倍的圓孔或長條狀；小於半毫米的「LOVE」圖案；線尺寸比細菌還小的小米手機logo陣列等。

「微應用」前景好

隨著微電子器件及精密機械的高速發展，非晶合金在當前結構、器件微型化的大趨勢中，細微零件和產品的成形加工越來越重要。

英國劍橋大學著名學者A.L.Greer認為，非晶合金未來極有前景的應用之一，就是在微納米成形加工中的應用。它優良的熱塑性和成形性，能在其表面製備功能性微結構，生產一系列相關器件及產品。

如，在其表面壓印出1/10頭髮絲大小的光柵結構，就得到光柵器件，這在精密分析儀器中應用前景廣闊；在其表面製備出荷葉形的微納米複合結構，就能實現類似荷葉的超疏水自清潔效果，這在防腐、防污、防水、防雪、石油運輸、新型水上交通工具中應用前景廣闊。

此外，它在醫學、精密儀器，尤其是正在興起的微機電系統 (MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)領域具有十分廣闊的應用前景。

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